劉延保，巴全斌，申 凱，靳妮倩君

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯抽采作為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的根本措施，其抽采效果與煤礦安全生產(chǎn)密切相關(guān)。我國(guó)煤礦瓦斯抽采尚處于重視生產(chǎn)而不重視維護(hù)階段[1]，施工鉆孔完成聯(lián)抽后任其衰竭，致使抽采工程投入與鉆孔利用率、瓦斯抽采率嚴(yán)重不匹配，普遍存在鉆孔有效抽采時(shí)間短、抽采濃度低的問(wèn)題，造成抽采鉆孔數(shù)目眾多而抽采量有限的尷尬局面。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者開(kāi)展了鉆孔修復(fù)相關(guān)技術(shù)裝備的研究，蘇現(xiàn)波[2-3]、劉曉[4]、范超[5]等基于煤礦井下水力化措施在鉆孔鉆進(jìn)、增透、修復(fù)中發(fā)揮的作用，研制了抽采鉆孔水力作業(yè)機(jī)，提出“臨時(shí)封孔、合理負(fù)壓、循環(huán)修復(fù)”的抽采模式，但該裝備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、循環(huán)修復(fù)工作量大等問(wèn)題。劉勇等[6]提出采用自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭修復(fù)鉆孔的新方法，利用鉆頭后置噴嘴反沖力行至鉆孔堵塞段，對(duì)堵孔煤渣進(jìn)行修復(fù)，同樣該設(shè)備系統(tǒng)龐大，鉆頭自進(jìn)方向無(wú)法有效控制，適用條件有限。

筆者從抽采鉆孔塌堵失效作用機(jī)制出發(fā)，總結(jié)分析影響鉆孔失穩(wěn)塌堵孔因素，提出水射流疏通—篩管護(hù)孔協(xié)同修護(hù)技術(shù)，研制了操作簡(jiǎn)便、易于搬運(yùn)的輕型氣動(dòng)鉆孔修護(hù)裝備，以實(shí)現(xiàn)鉆孔快速修復(fù)和有效支護(hù)的目的，解決塌堵鉆孔無(wú)法有效抽采的難題。

1 抽采鉆孔塌堵失效作用機(jī)制

1.1 煤層屬性與賦存環(huán)境條件

1.1.1 煤層屬性及地質(zhì)構(gòu)造條件

我國(guó)含松軟煤層煤礦數(shù)量非常龐大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[7]，全國(guó)重點(diǎn)礦業(yè)集團(tuán)含松軟煤層煤礦數(shù)量占總煤礦數(shù)量的53.3%，尤以西南礦區(qū)最為突出。松軟煤層經(jīng)歷地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤體原生裂隙被破壞，煤質(zhì)變軟，普遍存在“三高一低”的賦存特點(diǎn)，即高應(yīng)力、高瓦斯壓力、高瓦斯含量及低滲透性[8]。同時(shí)，在地質(zhì)演化過(guò)程中也形成了多種地質(zhì)構(gòu)造，如破碎帶、陷落柱、褶皺、斷層等。破碎帶是具有強(qiáng)度低、易變形特性的局部軟弱帶，與附近煤巖體在物理力學(xué)特性上存在顯著差異，主要分為高應(yīng)力破碎帶和斷層破碎帶；斷層的巖性突變也是影響鉆孔穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素；褶皺分為向斜和背斜構(gòu)造，褶皺構(gòu)造應(yīng)力變化區(qū)，尤其是張應(yīng)力區(qū)易造成鉆孔的失穩(wěn)破壞；陷落柱的巖性突變形成軟硬交接異常區(qū)域，也是導(dǎo)致鉆孔失穩(wěn)的因素之一。位于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域的鉆孔，尤其在松軟煤層中，鉆孔失穩(wěn)塌堵情況極易發(fā)生，表現(xiàn)為鉆孔全孔段或局部區(qū)段失穩(wěn)破壞，常在鉆孔施工階段即發(fā)生失穩(wěn)，隨時(shí)間演化至完全堵孔。

1.1.2 黏土層水化膨脹作用

我國(guó)煤巖層中普遍存在黏土層，如大部分煤層的偽頂或直接頂為泥巖，遇水會(huì)發(fā)生膨脹，其實(shí)質(zhì)為黏土礦物的水化膨脹作用[9]。穿層鉆孔經(jīng)過(guò)黏土層時(shí)，在水化和多種因素作用下，鉆孔黏土段圍巖強(qiáng)度和力學(xué)性能發(fā)生改變，體積膨脹并發(fā)生塑性變形失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)為孔徑變小或鉆孔局部被堵塞。如重慶礦區(qū)某礦地層含鋁土層，穿層鉆孔施工段遇水發(fā)泡進(jìn)而產(chǎn)生蠕性膨脹形成致密堵塞段，造成大面積鉆孔堵塞并導(dǎo)致瓦斯抽采率斷崖式下降。

1.2 多應(yīng)力耦合鉆孔應(yīng)力分布規(guī)律

1.2.1 鉆孔徑向應(yīng)力分布

抽采鉆孔可以被看作為微型圓形巷道，因此可將其按照巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)力學(xué)模型進(jìn)行分析[10-11]。鉆孔圍巖應(yīng)力主要有原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力。原巖應(yīng)力又包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、瓦斯壓力等，影響原巖應(yīng)力的因素主要有煤層埋深和地質(zhì)構(gòu)造，自重應(yīng)力對(duì)鉆孔穩(wěn)定性的影響主要為垂直地應(yīng)力；構(gòu)造應(yīng)力及煤變質(zhì)作用對(duì)松軟煤層的形成具有主導(dǎo)作用；瓦斯壓力對(duì)鉆孔失穩(wěn)的影響體現(xiàn)在瓦斯吸附和解吸前后作用煤壁的壓縮變形；而在巷道掘進(jìn)、工作面回采和鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，周?chē)簬r體的采動(dòng)應(yīng)力發(fā)生變化，造成鉆孔周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)二次分布。

由于應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移及強(qiáng)卸載作用引起的煤巖體破碎，使煤巖體經(jīng)歷多次變形和破壞過(guò)程，在圍巖應(yīng)力場(chǎng)、瓦斯壓力和煤體原生裂隙的影響下，孔壁受到剪切破壞和張性破壞，沿鉆孔徑向依次形成破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[12]，形成一定范圍的卸壓區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)煤體強(qiáng)度降低、煤體內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙，在得到支護(hù)情況下可以減小抽采鉆孔徑向塑性破壞區(qū)范圍，使鉆孔孔壁穩(wěn)定性得到有效改善，如圖1所示。

Ⅰ—破碎區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—彈性區(qū)；Ⅳ—原巖應(yīng)力區(qū)；

1.2.2 鉆孔軸向應(yīng)力分布

巷道掘進(jìn)為采動(dòng)一次應(yīng)力作用，其破壞了原始煤巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得圍巖應(yīng)力重新分布，集中應(yīng)力向煤巖體深部轉(zhuǎn)移；鉆孔施工對(duì)圍巖產(chǎn)生進(jìn)一步的破壞，為二次應(yīng)力作用，使采動(dòng)應(yīng)力繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移[13]。圍巖應(yīng)力重新達(dá)到平衡狀態(tài)后，巷道兩側(cè)沿鉆孔軸向應(yīng)力分布由外往里依次形成破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[14-15]，如圖2所示。

Ⅰ—破碎區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—彈性區(qū)；Ⅳ—原巖應(yīng)力區(qū)。

在鉆孔施工過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到煤巖體的強(qiáng)度極限后，鉆孔周?chē)簬r體將發(fā)生不可避免的損傷和塑性破壞。圍巖破碎區(qū)，所受應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，裂隙溝通良好，裂隙最為發(fā)育；塑性區(qū)內(nèi)，鉆孔圍巖產(chǎn)生塑性變形，在此區(qū)域內(nèi)孔壁易發(fā)生失穩(wěn)變形，鉆孔徑向裂隙與塑性區(qū)裂隙貫通；鉆孔在彈性區(qū)時(shí)，處于彈性變形階段。因此破碎區(qū)和塑性區(qū)是鉆孔失穩(wěn)破壞最為嚴(yán)重區(qū)段。

2 抽采鉆孔水射流協(xié)同修護(hù)技術(shù)

2.1 水射流協(xié)同修護(hù)技術(shù)原理

抽采鉆孔水射流協(xié)同修護(hù)原理是以高壓水為動(dòng)力，利用水射流在管路疏通、排渣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，由高壓水泵升壓后的水體通過(guò)噴頭噴嘴獲得巨大的動(dòng)能對(duì)煤渣和鉆孔破碎區(qū)煤塊顆粒施加刮削破碎和沖散作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔塌堵閉合段進(jìn)行疏通解堵，并利用篩管進(jìn)行同步護(hù)孔，使鉆孔失穩(wěn)塌堵段得到有效支撐，防止鉆孔再次堵塞或閉合，確保瓦斯運(yùn)移通道的暢通，進(jìn)而保證良好的抽采效果。

2.2 水射流參數(shù)計(jì)算

為滿(mǎn)足工程應(yīng)用，根據(jù)伯努利和連續(xù)方程[16]，得到射流流速的簡(jiǎn)化公式：

(1)

式中：v為射流速度，m/s；p0為射流壓力，MPa。

進(jìn)而得到噴頭的壓降公式：

(2)

式中：q為射流流量，L/min；μ為流量系數(shù)，取0.95；de為噴嘴當(dāng)量直徑，mm。

其中，多噴嘴當(dāng)量直徑計(jì)算公式如下：

(3)

式中dn為第n個(gè)噴嘴的直徑，mm。

目前，關(guān)于高壓水射流破巖作用機(jī)制形成了多種理論假說(shuō)，其中拉伸—水楔和密實(shí)核—劈拉破巖理論對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)的外旋式射流的拉壓與脈沖聯(lián)合破巖作用有較好的適用性[17]。A M Hypabacknh由密實(shí)核—劈拉破巖理論得出射流破巖臨界壓力約為煤巖抗剪強(qiáng)度的2倍，根據(jù)中國(guó)石油大學(xué)沈忠厚院士的試驗(yàn)結(jié)論[18]，高壓旋轉(zhuǎn)水射流若要實(shí)現(xiàn)破巖應(yīng)滿(mǎn)足p0≥τs(τs為抗剪強(qiáng)度)。查閱巖體力學(xué)資料顯示，煤抗剪強(qiáng)度為1.08～16.20 MPa。

高壓水泵輸出壓力為射流壓力和管路沿程阻力損失之和，沿程阻力損失Δp計(jì)算公式為[19]：

(4)

式中：D為高壓管路直徑，mm；Re為雷諾數(shù)，取11 165q/D；q為射流體積流量，L/min。

根據(jù)公式(4)可知，管路直徑越小，則壓力越高，沿程阻力越大，當(dāng)管路直徑為8 mm時(shí)，沿程阻力損失為0.034 MPa/m。假設(shè)鉆孔修復(fù)深度為50 m，則管路沿程阻力損失為1.7 MPa。

考慮到鉆孔塌堵段實(shí)際為變形閉合的裂隙煤體和坍塌后被壓實(shí)的煤粉煤渣，其抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于原煤體強(qiáng)度。綜合考慮其他影響因素，為確保噴頭射流可以暢通疏通修復(fù)塌堵鉆孔，水泵輸出水壓應(yīng)在17.9 MPa以上。

3 抽采鉆孔水射流協(xié)同修護(hù)裝備及工藝

3.1 水射流協(xié)同修護(hù)裝備

抽采鉆孔水射流協(xié)同修護(hù)技術(shù)裝備主要包括輕型氣動(dòng)高壓水泵、自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭、高壓修復(fù)管、水箱、篩管等，抽采鉆孔水射流協(xié)同修護(hù)裝備及其工藝流程如圖3所示。該系統(tǒng)裝備充分考慮井下應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下易于搬運(yùn)操作和快速進(jìn)行鉆孔修復(fù)的目的。

1—井下壓風(fēng)管；2—井下供水管；3—泵進(jìn)風(fēng)管；4—壓風(fēng)閥；

1)輕型氣動(dòng)高壓水泵。是動(dòng)力輸出裝備，以壓風(fēng)為動(dòng)力源，工作氣壓為0.4～0.7 MPa，耗氣量為12 m3/min，體積550 mm×400 mm×553 mm，井下壓風(fēng)量滿(mǎn)足要求；額定壓力20 MPa，額定流量15 L/min，滿(mǎn)足鉆孔射流疏通所需要的水壓、流量等要求。

2)自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭。是水射流疏通解堵的關(guān)鍵部件，高壓水通過(guò)高壓管路輸送至噴頭從而形成水射流，正向噴嘴破碎沖散鉆孔變形閉合煤體和坍塌后被壓實(shí)的煤渣；反向噴嘴提供噴頭旋轉(zhuǎn)動(dòng)力并沖排煤渣。通過(guò)計(jì)算和考慮實(shí)際加工圓整度，噴嘴當(dāng)量直徑選為1.3 mm，采用前三后二布置方式。

3)高壓管路及篩管。篩管采用礦用聚氯乙烯管，直徑40 mm，滿(mǎn)足煤礦常規(guī)鉆孔直徑要求，并對(duì)鉆孔塌堵段進(jìn)行有效支撐，保證鉆孔瓦斯流動(dòng)通道的暢通；高壓管路采用高壓軟管，外部直徑13.3 mm，內(nèi)部直徑8.0 mm，既降低了管路沿程阻力損失又能保證軟管在篩管中通行，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下鉆孔的快速、便捷修復(fù)。

3.2 水射流協(xié)同修護(hù)工藝流程

抽采鉆孔射流疏通—篩管護(hù)孔協(xié)同修護(hù)技術(shù)具體工藝流程如下：

1)施工完成鉆孔聯(lián)抽后，對(duì)單孔抽采瓦斯?jié)舛群土髁克p較快的鉆孔進(jìn)行診斷，確定鉆孔塌堵情況和堵塞段位置。

2)檢查裝備是否完好，接入井下壓風(fēng)和供水管路，將高壓修復(fù)管放入篩管內(nèi)同步下入抽采鉆孔至塌堵段，再次檢查設(shè)備管路等是否準(zhǔn)備就緒。

3)打開(kāi)供水和壓風(fēng)閥門(mén)，啟動(dòng)輕型氣動(dòng)高壓水泵，調(diào)節(jié)水泵輸出壓力、流量，勻速推送高壓修復(fù)管和篩管，若篩管無(wú)法推進(jìn)，則推送噴頭往復(fù)疏通，待煤渣順利返排后繼續(xù)前進(jìn)；若仍然無(wú)法推進(jìn)，可提高泵組輸出水壓。

4)不斷增加高壓修復(fù)管和篩管的長(zhǎng)度，直至達(dá)到抽采鉆孔的最大修復(fù)深度。調(diào)節(jié)水泵輸出壓力，撤出修復(fù)管路，進(jìn)行下一鉆孔的修護(hù)操作。

5)鉆孔修護(hù)完成后，重新進(jìn)行聯(lián)抽。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

根據(jù)王坡煤礦地質(zhì)資料，井田面積25.35 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3 Mt/a，煤層瓦斯含量8.53～10.44 m3/t，透氣性系數(shù)為2.575 m2/(MPa2·d)，絕對(duì)瓦斯瓦斯壓力0.36～0.58 MPa，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.63～0.95，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但煤質(zhì)松軟、透氣性較差，為高瓦斯煤層，平均抽采瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù))和抽采瓦斯純流量分別為26%和0.15 m3/min，抽采效果一般。

工作面預(yù)抽鉆孔采用單排布置方式，水平間距2.5 m，鉆孔傾角-10°～ 3°，鉆孔直徑113 mm，鉆孔高度1.5 m，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛绕颓宜p快，尤其孤島工作面兩側(cè)巷道應(yīng)力較大，抽采鉆孔塌堵孔現(xiàn)象較為嚴(yán)重，極大地增加了瓦斯抽采時(shí)間和難度。

4.2 效果考察分析

根據(jù)試驗(yàn)工作面鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)資料，針對(duì)單孔抽采瓦斯?jié)舛群统椴赏咚辜兞髁枯^低的塌堵鉆孔采用水射流協(xié)同修護(hù)技術(shù)進(jìn)行處理。本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)鉆孔數(shù)量共計(jì)17個(gè)，水射流協(xié)同修護(hù)深度為 15～50 m。為了驗(yàn)證水射流協(xié)同修護(hù)效果，對(duì)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行跟蹤考察，并繪制抽采鉆孔修復(fù)前后瓦斯抽采日平均數(shù)據(jù)變化曲線，如圖4所示，對(duì)修復(fù)前和修復(fù)后的鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 試驗(yàn)鉆孔修復(fù)前后瓦斯抽采日平均數(shù)據(jù)變化曲線

從圖4中可以得出，試驗(yàn)鉆孔修復(fù)完成后抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁烤蠓岣?。在?個(gè)月的抽采時(shí)間內(nèi)，鉆孔修復(fù)前日平均單孔抽采瓦斯純流量為0.05 m3/min左右，修復(fù)后保持在0.10 m3/min左右；修復(fù)前日平均抽采瓦斯?jié)舛葍H為10%左右，修復(fù)后提高至20%以上。即修復(fù)后試驗(yàn)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛忍岣?.57～3.67倍，平均為1.84倍；抽采瓦斯純流量提高0.99～5.15倍，平均為2.35倍。抽采效率恢復(fù)到同期抽采鉆孔的75%以上，效果顯著。從試驗(yàn)結(jié)果看出，抽采鉆孔水射流協(xié)同修護(hù)裝備可以較好地解決鉆孔因變形塌堵和煤渣積聚等導(dǎo)致鉆孔堵塞失效的問(wèn)題，確保了鉆孔瓦斯流動(dòng)通道的及時(shí)恢復(fù)與暢通，極大地提高了抽采鉆孔利用率和抽采效率。

5 結(jié)論

1)從抽采鉆孔塌堵失效作用機(jī)制出發(fā)，系統(tǒng)分析了影響鉆孔失穩(wěn)塌堵孔的因素，得出煤巖體性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造及多應(yīng)力耦合條件是造成鉆孔失穩(wěn)的主要因素，進(jìn)而分析得到不同影響條件下鉆孔塌堵情形和堵塞段位置。

2)基于高壓水射流解堵作用原理，提出了水射流疏通—篩管護(hù)孔協(xié)同修護(hù)技術(shù)，研制了輕型氣動(dòng)鉆孔修護(hù)裝備，實(shí)現(xiàn)了塌堵鉆孔的快速便捷修復(fù)。

3)應(yīng)用結(jié)果表明，試驗(yàn)鉆孔修護(hù)深度達(dá)到50 m，修護(hù)完成后單孔抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁枯^修復(fù)前提高0.57～3.67倍和0.99～5.15倍，抽采效果大幅改善，有效解決了抽采鉆孔塌堵孔后無(wú)法有效抽采的技術(shù)難題。